DE3638856C2

DE3638856C2 - Method for producing a porous plate for a fuel cell and porous plate produced by the method

Info

Publication number: DE3638856C2
Application number: DE3638856A
Authority: DE
Inventors: Richard D Breault; John Donahue
Original assignee: International Fuel Cells Corp
Current assignee: UTC Power Corp
Priority date: 1985-12-30
Filing date: 1986-11-14
Publication date: 1996-01-18
Anticipated expiration: 2006-11-15
Also published as: NL8602792A; FR2592528B1; CA1279094C; JPS62160662A; US4652502A; JP2513649B2; GB2184883A; GB8626218D0; DE3638856A1; GB2184883B; FR2592528A1

Description

Die Erfindung betrifft eine poröse Platte für eine elektro chemische Zelle und ein Verfahren zu deren Herstellung. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Naßdichtung für eine poröse Platte, die in einer elektrochemischen Zelle, wie einem Brennstoffzellenkraftwerk, verwendet wird. Obwohl diese Erfindung zum Gebrauch auf dem Gebiet der Phosphor säuren-Brennstoffzellenkraftwerke gemacht wurde, findet sie auch bei anderen elektrochemischen Zellen Anwendung, bei denen solche Dichtungen verwendet werden.The invention relates to a porous plate for an electro chemical cell and a process for its production. The invention particularly relates to a wet seal for a porous plate that is in an electrochemical cell, such as a fuel cell power plant. Although this invention for use in the field of phosphorus acid fuel cell power plants was made they also apply to other electrochemical cells, where such seals are used.

Brennstoffzellenkraftwerke erzeugen dadurch elektrische Energie, daß sie in einer oder mehreren elektrochemischen Zellen einen Brennstoff und ein Oxidationsmittel elektro chemisch verbrauchen. Das Oxidationsmittel kann reiner Sauerstoff oder eine Mischung aus sauerstoffhaltigen Gasen, wie Luft, sein. Der Brennstoff kann Wasserstoff sein.Fuel cell power plants thereby generate electrical Energy that they are in one or more electrochemical Cells a fuel and an oxidant electro consume chemically. The oxidizing agent can be purer Oxygen or a mixture of oxygen-containing gases, like air. The fuel can be hydrogen.

Jede Brennstoffzelle weist im allgemeinen Elektroden zur Aufnahme der Gase, nämlich eine Anode für den Brenn stoff und eine Kathode für das Oxidationsmittel, auf. Die Kathode ist von der Anode beabstandet, und eine mit dem Elektrolyten gesättigte Matrix ist zwischen diesen Elek troden angeordnet.Each fuel cell generally has electrodes to hold the gases, namely an anode for the furnace fabric and a cathode for the oxidizing agent. The Cathode is spaced from the anode, and one with the Electrolyte saturated matrix is between these elec tread arranged.

Jede Elektrode weist ein Substrat auf, auf dem auf der Seite, die der Elektrolytmatrix zugekehrt ist, eine Kata lysatorschicht angeordnet ist. In einigen Fällen ist auf der anderen Seite des Substrats eine Elektrolytspeicher platte angeordnet, die dem Träger Elektrolyt durch kleine Poren zuführen kann. Diese Elektrolytspeicherplatten kön nen Kanäle oder Durchgänge hinter dem Substrat für die Zuführung eines Reaktionsgases, wie des gasförmigen Brenn stoffes zu der Anode und des gasförmigen Oxidationsmit tels zu der Kathode, aufweisen. Beispielsweise können diese Kanäle zwischen parallelen Rippen auf der Substrat seite der Elektrolytspeicherplatte ausgebildet sein. Eine Trennplatte auf der anderen Seite der Elektrolytspeicher platte bildet eine Sperre gegen den Übertritt des Elektro lyten und verhindert eine Durchmischung der Brennstoff- und Oxidationsmittelgase in angrenzenden Zellen. Eine wei tere annehmbare Konstruktion besteht darin, das Elektro densubstrat sowohl als Elektrolytspeicherplatte als auch als Elektrodensubstrat wirken zu lassen, wobei auf der der Trennplatte zugekehrten Seite des Substrats Kanäle ausge bildet sind.Each electrode has a substrate on which on the Side facing the electrolyte matrix, a kata analyzer layer is arranged. In some cases it is on the other side of the substrate is an electrolyte storage plate arranged, the carrier electrolyte through small Can feed pores. These electrolyte storage plates can NEN channels or passages behind the substrate for the Supply of a reaction gas, such as gaseous fuel material to the anode and the gaseous oxidation with to the cathode. For example these channels between parallel ribs on the substrate be formed side of the electrolyte storage plate. A Separation plate on the other side of the electrolyte storage plate forms a barrier against the transfer of the electric and prevents mixing of the fuel and oxidant gases in adjacent cells. A white The more acceptable design is the electro the substrate both as an electrolyte storage plate and to act as an electrode substrate, on which the Separation plate facing side of the substrate channels forms are.

Im allgemeinen wird ein Stapel aus Brennstoffzellen und Trennplatten zur Durchführung der elektrochemischen Reak tion verwendet. Infolge der elektrochemischen Reaktion er zeugt der Brennstoffzellenstapel elektrische Energie, ein Reaktionsprodukt und Abwärme. Ein Kühlsystem erstreckt sich durch den Stapel, um die Abwärme von dem Brennstoffzellen stapel abzuführen. Das Kühlsystem weist ein Kühlmittel und Leitungen für das Kühlmittel auf. Die Leitungen sind in Kühlerhaltern angeordnet, um Kühler in dem Stapel zu bil den. Mit Hilfe der Kühlerhalter wird Wärme von den Brenn stoffzellen auf die Leitungen und von den Leitungen auf das Kühlmittel übertragen.Generally, a stack of fuel cells and Separation plates for performing the electrochemical reac tion used. As a result of the electrochemical reaction he the fuel cell stack generates electrical energy Reaction product and waste heat. A cooling system extends through the stack to the waste heat from the fuel cells to remove stacks. The cooling system has a coolant and Lines for the coolant. The lines are in Radiator brackets arranged to bilge radiators in the stack the. With the help of the cooler holder, heat is removed from the burner fabric cells on the lines and from the lines transfer the coolant.

Der Kühlerhalter muß elektrisch und thermisch leitfähig sein und kann gasdurchlässig sein. Ein Beispiel für einen der artigen Kühlerhalter ist in der US-PS 42 45 009 mit dem Titel "Poröser Kühlmittelrohr-Halter für einen Brennstoffzellenstapel" gezeigt.The cooler holder must be electrically and thermally conductive and can be gas permeable. An example of one of the like cooler holder is in US-PS 42 45 009 titled "Porous Coolant Pipe Holder for One Fuel cell stack "shown.

Alternativ dazu kann der Kühlerhalter auch gasundurch lässig sein. Ein Beispiel für einen derartigen Kühlerhal ter ist in der US-PS 39 90 913 mit dem Titel "Phosphorsäure-Wärmeübertragungsmaterial" gezeigt, bei der der Kühlerhalter sowohl als Kühlerhalter als auch als Trennplatte dient.Alternatively, the radiator holder can also be gas impermeable be casual. An example of such a cooler neck ter is titled in US Pat. No. 3,990,913 "Phosphoric acid heat transfer material" shown at the radiator holder both as a radiator holder also serves as a partition plate.

Die Trennplatten verhindern das Vermischen des Brennstoff gases, wie Wasserstoff, das auf der einen Seite der Platte vorliegt, mit einem Oxidationsmittel, wie Luft, das auf der anderen Seite der Platte vorliegt. Die Trennplatten sind daher für Gase wie Wasserstoff hoch undurchlässig und elektrisch hoch leitfähig, um den elektrischen Strom durch den Brennstoffzellenstapel hindurchzuleiten. Außerdem müs sen die Trennplatten auch die stark korrodierende Atmos phäre tolerieren, die von dem in der Brennstoffzelle ver wendeten Elektrolyten gebildet wird. Ein Beispiel für einen solchen Elektrolyten ist heiße Phosphorsäure. Zusätzlich müssen die Trennplatten, wie die Kühlerhalter, eine hohe Festigkeit, insbesondere Biegefestigkeit, aufweisen, die ein Maß für die Trennplatte ist, hohe Druckbelastungen, eine unterschiedliche thermische Ausdehnung von aneinander liegenden Bauteilen und zahlreiche thermische Zyklen, ohne Rißbildung oder Bruch auszuhalten.The partition plates prevent the fuel from mixing gases, like hydrogen, on one side of the plate with an oxidizing agent such as air the other side of the plate. The partition plates are therefore highly impermeable to gases such as hydrogen and electrically highly conductive to the electrical current through to pass the fuel cell stack through. In addition, must the separating plates also the highly corrosive atmosphere tolerate that from the ver in the fuel cell used electrolyte is formed. An example of one such electrolyte is hot phosphoric acid. In addition the separator plates, like the radiator brackets, must be high Strength, in particular flexural strength, which is a measure of the partition plate, high pressure loads, a different thermal expansion of each other lying components and numerous thermal cycles without Endure cracking or breakage.

Ein Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung von Trenn platten für elektrochemische Zellen wird in der US-PS 43 60 485 beschrieben, wobei die Offen barung dieses Patents durch ausdrückliche Bezugnahme die vorliegende Beschreibung ergänzt. Bei dem dort beschriebe nen Verfahren wird die Trennplatte dadurch hergestellt, daß man eine Mischung aus vorzugsweise 50% eines Graphit pulvers hoher Reinheit und 50% eines verkohlbaren thermisch härtenden Phenolharzes in die gewünschte Form bringt und dann graphitiert. Insbesondere wird dabei eine gut durch mischte Mischung aus dem geeigneten Harz und dem Graphit pulver beschrieben. Die Mischung wird dann in einer Form verteilt. Der Formling wird unter Druck und erhöhter Tem peratur verdichtet, um das Harz zu schmelzen und teilweise zu härten und die Platte auszubilden.An example of a method of making separation plates for electrochemical cells is described in US Pat 43 60 485 described, the Offen tation of this patent by express reference this description supplements. The one described there The separating plate is manufactured by that a mixture of preferably 50% of a graphite powder of high purity and 50% of a charrable thermal brings hardening phenolic resin into the desired shape and then graphitized. In particular, it will do well mixed mixture of the appropriate resin and graphite powder described. The mixture is then in a mold distributed. The molding is under pressure and elevated tem temperature compressed to melt the resin and partially to harden and form the plate.

Elektrolytspeicherschichten, wie sie üblicherweise in Elek trolytspeicherplatten und als Elektrodensubstrat verwendet werden, müssen Anforderungen erfüllen, die sich von denen an einer Trennplatte unterscheiden. Zum Beispiel müssen Speicherschichten Volumenveränderungen des Elektrolyten während des Betriebs der Brennstoffzelle ausgleichen. Bei spiele für derartige Elektrolytspeicherschichten sind in den US-PSen 37 79 811, 39 05 832, 40 35 551, 40 38 463, 40 64 207, 40 80 413, 40 64 322, 41 85 145 und 43 74 906 beschrieben.Electrolyte storage layers, as usually in Elek trolyte storage plates and used as an electrode substrate must meet requirements that differ from those differentiate on a separating plate. For example, must Storage layers Changes in volume of the electrolyte balance during operation of the fuel cell. At games for such electrolyte storage layers are in U.S. Patents 37 79 811, 39 05 832, 40 35 551, 40 38 463, 40 64 207, 40 80 413, 40 64 322, 41 85 145 and 43 74 906 described.

Verschiedene dieser Patente zeigen die Nutzung der Elektro lytspeicherschicht als Elektrodensubstrat. Zusätzlich zum Ausgleich von Veränderungen des Säurevolumens infolge einer Elektrolytverdampfung und von Veränderungen der Betriebs bedingungen der Zellenelektrode müssen Substrate ver schiedene andere funktionelle Anforderungen erfüllen. Bei spielsweise muß das Substrat ein guter elektrischer Leiter und ein guter thermischer Leiter sein und eine ausreichende strukturelle Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit auf weisen. Das Substrat dient als Träger für die Katalysator schicht und als ein Mittel für die Durchleitung der gasförmigen Reaktanten durch die Katalysatorschicht. Schließlich müs sen die Kanten des Substrats oft als Naßdichtung dienen, die ein Entweichen der Reaktionsgase und des Elektrolyten aus der Zelle verhindert.Several of these patents show the use of electro Lyt storage layer as an electrode substrate. In addition to Compensation for changes in acid volume due to a Electrolyte evaporation and changes in operation Conditions of the cell electrode must ver substrates meet various other functional requirements. At for example, the substrate must be a good electrical conductor and be a good thermal conductor and sufficient structural strength and corrosion resistance point. The substrate serves as a carrier for the catalyst layer and as a means for the passage of the gaseous Reactants through the catalyst layer. Finally, must the edges of the substrate often serve as a wet seal, the escape of the reaction gases and the electrolyte prevented from the cell.

Dies kann auf die in der US-PS 38 67 206 mit dem Titel "Naßdichtung für Flüssigelektrolytbrennstoff zellen" beschriebene Art und Weise gemacht werden. Ein weiteres Beispiel ist in US-PS 42 59 389 mit dem Titel "Naßdich tung mit geringer Porosität für hohen Druck" gezeigt. Dabei kann die Dichtung in den Kantenbereich einer porösen Platte unter Verwendung eines pulverförmigen Füllstoffes gebildet werden, die dem Bereich eine höhere Dichte ver leiht, welche die Porosität vermindert. Dennoch ist dieser Vorschlag nicht allgemein angenommen worden.This can be seen in US Pat. No. 3,867,206 entitled "Wet Seal for Liquid Electrolyte Fuel cells "described manner can be made. Another example is in US-PS 42 59 389 with the title "Naßdich device with low porosity for high pressure ". The seal can be in the edge area of a porous Plate using a powdered filler are formed which ver the area a higher density lends, which reduces the porosity. Still this is Proposal has not been widely accepted.

Ein weiterer Vorschlag für die Bildung von Randdichtungen besteht darin, die Dichte des Randbereiches durch Zusam mendrücken zu erhöhen. Verdichtete Trägerranddichtungen sind in den der Anmelderin gehörenden US-PSen 42 69 642 und 43 65 008 beschrieben. Die Praxis hat gezeigt, daß die Dichtungsdichte und Porengröße, die praktisch erhalten werden können, den Randdichtungsquerdruck (der allgemein als Blasendruck bezeichnet wird) auf 0,206-0,275 bar beschränken. Dies ist weniger als die 0,69 bar, die für einen Brennstoffzellenstapel erwünscht sind, der bei 8,3 bar arbeitet, wobei Druckunterschiede zwischen den Reak tanten bis zu 0,34-0,69 bar erreichen können.Another proposal for the formation of edge seals consists of the density of the edge area by together pressure to increase. Compressed girder edge seals are in the applicant's US Pat. Nos. 4,269,642 and 43 65 008. Practice has shown that Seal density and pore size, which practically preserved edge seal cross-printing (the general is called bubble pressure) to 0.206-0.275 bar restrict. This is less than the 0.69 bar that is for a fuel cell stack is desired, which at 8.3 bar works, with pressure differences between the Reak aunts can reach up to 0.34-0.69 bar.

Demzufolge versuchen Naturwissenschaftler und Ingenieure, für poröse Platten einer elektrochemischen Zelle Dichtun gen zu entwickeln, die höhere Übergangsdrücke, die bei Brennstoffzellen mit höherem Druck auftreten, aushalten können.So scientists and engineers are trying for porous plates of an electrochemical cell seal gene to develop the higher transition pressures that at Endure fuel cells with higher pressure can.

Einige der neuesten Vorschläge folgten der in der US-PS 42 59 389 angegebenen Lösung, den Rand- oder Kanten bereich zu imprägnieren. Diese Vorschläge hatten aber nur mäßigen Erfolg. Ein von den Erfindern der vorliegenden Anmeldung entwickeltes verbessertes Verfahren besteht darin, eine Suspension aus Dichtungsmaterial zu bilden und die Suspension in den Randbereich zu drücken. Jedoch war bei den Feststoffkonzentrationen, die zur Füllung der Hohlraumstruktur erforderlich sind, die Suspensionsvisko sität zu hoch, um ein vollständiges Eindringen in das dicke Substrat zu erhalten. Bei genügend niedrigen Visko sitäten für ein gutes Eindringen war der Feststoffgehalt der Suspension zu niedrig, um das Hohlraumvolumen auszu füllen, und führte zu großen Poren.Some of the latest proposals followed that in the US PS 42 59 389 specified solution, the edge or edges impregnate area. But these suggestions only had moderate success. One by the inventors of the present Registration developed improved procedure exists in forming a suspension of sealing material and push the suspension into the edge area. However was at the solids concentrations required to fill the Cavity structure are required, the suspension visco sity too high to fully penetrate the to get thick substrate. With a sufficiently low viscosity The solid content was the key to good penetration the suspension is too low to empty the void volume fill, and caused large pores.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer porösen Platte, die in einer Brennstoffzelle eingesetzt werden kann, bzw. eine für den genannten Zweck verbesserte poröse Platte zu schaffen, die eine Verbesserung der Randabdichtung und damit eine Verwendung der erhaltenen Platte in einer Brennstoffzelle ermöglichen, in der es zu erheblichen Druckunterschieden zwischen den Reaktanten kommen kann.The object of the invention is an improved Process for the production of a porous plate in a Fuel cell can be used, or one for the mentioned purpose to create improved porous plate that an improvement in the edge seal and thus a use enable the plate obtained in a fuel cell, in which resulted in significant pressure differences between the reactants can come.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren gemäß Oberbegriff dem von Anspruch 1 bzw. einer porösen Platte gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 5 durch die in den jeweiligen Kennzeichen aufgeführten Merkmale gelöst.This task is performed in a method according to the preamble of Claim 1 or a porous plate according to the preamble of Claim 5 by those listed in the respective license plates Features resolved.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens gemäß Anspruch 1 bzw. der Platte gemäß Anspruch 5 sind den jeweiligen nachgeordneten Unteransprüchen zu entnehmen. Advantageous embodiments of the method according to claim 1 or the plate according to claim 5 are the respective subordinate See subclaims.

Erfindungsgemäß wird somit ein Dichtungsbereich einer porösen Platte für eine elektrochemische Zelle mit einem einen hohen Feststoffgehalt ergebenden und eine niedere Struktur aufweisenden Pulver in einer Suspension unter Druck gefüllt, um eine Dichtung für die poröse Platte nach der Entfernung der Flüssigkeit zu bilden, wobei die Dich tung in der Lage ist, momentane Querdrücke auszuhalten, die um eine Größenordnung größer als die beim normalen Betrieb auftretenden Querdrücke sind.According to the invention, a sealing area is thus a porous plate for an electrochemical cell with a resulting in a high solids content and a low one Structure powder in a suspension under Pressure filled to create a seal for the porous plate the removal of the liquid to form, the you is able to withstand current transverse pressures, which is an order of magnitude larger than that of the normal one Cross pressures occurring during operation.

Erfindungsgemäß besteht das Verfahren zum Herstellen der Dichtung darin, daß eine Vorläufersuspension für das Dichtungsmaterial gebildet wird, die einen so hohen Feststoffgehalt hat, daß Gesamtvolumenverminderungen des Dichtungsmaterials nach der Entfernung der Flüssigkeit aus der Suspension vermie den werden und daß der Dichtungsbereich durch Aufbringen von Druck auf das Dichtungs-Vorläufermaterial gefüllt wird, der größer als 0,34 bar ist, um das Dichtungsmaterial in das Substrat zu drücken.According to the invention, the method for producing the Seal in that a precursor suspension for the sealing material is formed, which has such a high solids content that Total volume reductions of the sealing material after the removal of the liquid from the suspension the and that the sealing area by applying Pressure on the seal precursor material is filled, the larger than 0.34 bar to seal the material into the substrate to press.

Ein Hauptmerkmal der Erfindung besteht darin, daß die poröse Platte einen Dichtungsbereich hat, der eine wesent lich größere Dichte als ein nicht dichtender Bereich der Platte aufweist. Ein Beispiel dafür ist ein Elektroden substrat, bei dem der Dichtungsbereich eine Dichte hat, die mindestens ungefähr 200% der Dichte der porösen Platte in einem nicht abgedichteten Bereich der Platte beträgt. Ein weiteres Beispiel dafür ist eine Elektrolytspeicher platte, bei der wegen der viel höheren Dichte im Vergleich zu der des Elektrodensubstrats die Dichte des Dichtungs bereiches ungefähr 150% der Dichte des nicht dichtenden Bereiches beträgt. Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist der hohe Feststoffgehalt der Vorläufersuspension für das Dichtungsmaterial und der Kontakt zwischen den Teilchen des Dichtungsmaterials nach der Entfernung des Trägers der Suspension. Bei einer Ausführungsform besteht ein Merkmal in einem inerten Binde mittel in der Suspension, das in einer genügend kleinen Menge vorhanden ist, um eine wesentliche Veränderung der hydrophilen Natur der Teilchen zu verhindern, und das dennoch einen Binder zwischen den Teilchen des Dichtungs materials bildet. Das Dichtungsmaterial ist ein Pulver, das aus der aus Kohlenstoff, Graphit oder Siliciumcarbid oder aus daraus gebildeten Mischungen bestehenden Gruppe ausgewählt ist.A main feature of the invention is that the porous plate has a sealing area which is an essential Lich greater density than a non-sealing area of the Plate. An example of this is an electrode substrate where the sealing area has a density, which is at least about 200% of the density of the porous plate in an unsealed area of the plate. Another example of this is an electrolyte storage plate compared to that because of the much higher density to that of the electrode substrate the density of the seal area about 150% of the density of the non-sealing Range is. Another feature of the invention is the high solids content of the precursor suspension for the sealing material and the contact between the particles of the sealing material after removal of the suspension carrier. At a In one embodiment, a feature is an inert bandage medium in suspension, in a sufficiently small There is a significant change in the amount prevent hydrophilic nature of the particles, and that nevertheless a binder between the particles of the seal materials forms. The sealing material is a powder that of carbon, graphite or silicon carbide or group consisting of mixtures formed therefrom is selected.

Ein Hauptvorteil der Erfindung ist die Perfektheit einer elektrochemischen Zelle, die in der Lage ist, momentane Querdrücke zwischen einer Anode und einer Kathode auszu halten, die um eine Größenordnung größer als die normalen Betriebsquerdrücke sind. Dies ergibt sich aus einer Dich tung, die aus abgesetztem Dichtungsmaterial gebildet ist, das eine geringe Porengröße dadurch hat, daß eine Gesamt volumenverminderung des Dichtungsmaterials verhindert wird, die sich ergeben könnte, wenn die Flüssigkeit der Dich tungsmaterial-Suspension aus einer porösen Platte entfernt wird, wie z.B. einem Substrat, in welchem das Dichtungs material abgesetzt ist.A major advantage of the invention is the perfection of one electrochemical cell that is capable of momentary To exert transverse pressures between an anode and a cathode keep that an order of magnitude larger than normal Operating cross pressures are. This results from you device, which is formed from separated sealing material, which has a small pore size in that a total reduction in volume of the sealing material is prevented, which could result if the liquid of you tion material suspension removed from a porous plate such as a substrate in which the seal material is deposited.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnun gen gezeigt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigtAn embodiment of the invention is in the drawings gene shown and is described in more detail below. It shows

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Teil eines elektro chemischen Zellenstapels mit Elektrolytspeicher schichten, wie z.B. einem Substrat oder einer Elektrolytspeicherplatte, bei denen ein Dichtungs material in einem Dichtungsbereich abgesetzt ist, und Fig. 1 shows a cross section through part of an electrochemical cell stack with electrolyte storage layers, such as a substrate or an electrolyte storage plate, in which a sealing material is deposited in a sealing area, and

Fig. 2 eine Seitenansicht einer Vorrichtung zum Drücken der Vorläufersuspension für das Dichtungsmaterial in eine poröse Platte in auseinandergezogener Form. Fig. 2 is a side view of an apparatus for pressing the precursor suspension for the sealing material into a porous plate in an exploded form.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenkraftwerks, wobei ein Teil eines Brenn stoffzellenstapels 6 gezeigt ist. Der Brennstoffzellen stapel enthält eine oder mehrere Brennstoffzellen, die durch die Brennstoffzelle 8 repräsentiert werden, sowie Kühlerhalter, die durch den einzigen Kühlerhalter 10 re präsentiert werden, die in bestimmten Abständen zwischen Gruppen von Brennstoffzellen angeordnet sind. Die Kühler halter sind dafür ausgebildet, Leitungen 11 für ein Kühl mittel aufzunehmen. Fig. 1 shows a cross section of a fuel cell power plant according to the invention, part of a fuel cell stack 6 is shown. The fuel cell stack contains one or more fuel cells, which are represented by the fuel cell 8 , and cooler holders, which are presented by the single cooler holder 10 , which are arranged at certain intervals between groups of fuel cells. The cooler holder are designed to receive lines 11 for a coolant.

Jede Brennstoffzelle enthält eine den Elektrolyten halten de Matrix 12, die zwischen einer Anode 14 und einer Kathode 16 angeordnet ist. Bei der speziellen gezeigten Zelle wird Phosphorsäure als Elektrolyt verwendet. Eine Elektrolyt speicherplatte 18 grenzt an die Anode an, und eine Elektro lytspeicherplatte 20 an die Kathode. Bei einer alternativen Konstruktion können die Elektrolytspeicherplatten durch gerippte Gastrennplatten ersetzt sein.Each fuel cell contains a matrix 12 which holds the electrolyte and is arranged between an anode 14 and a cathode 16 . In the particular cell shown, phosphoric acid is used as the electrolyte. An electrolyte storage plate 18 is adjacent to the anode, and an electrolyte storage plate 20 to the cathode. In an alternative construction, the electrolyte storage plates can be replaced by ribbed gas separation plates.

Die Anode 14 weist eine Katalysatorschicht 22 und ein die Katalysatorschicht tragendes Elektrodensubstrat auf. Das Substrat ist eine poröse Platte und wirkt als gasdurchläs sige Speicherschicht für den Elektrolyten. Die Katalysator schicht ist an dem Substrat befestigt und ist aus Kataly satorteilchen gebildet, die mit Hilfe eines hydrophoben Materials, wie beispielsweise Polytetrafluoräthylen, anein andergebunden sind. Ein solcher Katalysator besteht aus Platin auf Kohleteilchen.The anode 14 has a catalyst layer 22 and an electrode substrate carrying the catalyst layer. The substrate is a porous plate and acts as a gas-permeable storage layer for the electrolyte. The catalyst layer is attached to the substrate and is formed from catalyst particles which are bound to one another with the aid of a hydrophobic material, such as, for example, polytetrafluoroethylene. Such a catalyst consists of platinum on carbon particles.

Die poröse Elektrolytspeicherplatte 18 weist Rippen 26 und einen Randabschnitt 28 auf. Die Rippen haben einen Abstand voneinander, so daß Durchgangskanäle 29 für den Brennstoff zwischen ihnen freigelassen werden. Ein geeig neter Brennstoff, wie beispielsweise Wasserstoff, wird durch die Kanäle 29 zwischen der Speicherschicht und der Elektrolytspeicherplatte und von dort zu der Katalysator schicht 22 geleitet. The porous electrolyte storage plate 18 has ribs 26 and an edge section 28 . The fins are spaced from each other so that fuel passages 29 are left between them. A suitable fuel, such as hydrogen, is passed through the channels 29 between the storage layer and the electrolyte storage plate and from there to the catalyst layer 22 .

Die Elektrolytübertragung zwischen der Matrix 12 und der Elektrolytspeicherplatte 18 wie auch der Speicherschicht 24 erfolgt direkt durch die Poren der Katalysatorschicht 22, die teilweise hydrophil ist. Die Katalysatorschicht kann Löcher zur Unterstützung dieser Flüssigkeitsübertra gung haben. Diese Verteilung des Elektrolyten innerhalb der Zelle tritt infolge der Kapillarwirkung der porösen Strukturen (d.h. der Oberflächenspannungserscheinung der Gas-Flüssigkeit-Schnittstelle) auf, welche bewirkt, daß die poröse Struktur Kapillarkräfte entwickelt. Je kleiner die Poren sind, desto größer ist die Kapillarkraft und die Fähigkeit zur Zurückhaltung der Flüssigkeit.The electrolyte transfer between the matrix 12 and the electrolyte storage plate 18 as well as the storage layer 24 takes place directly through the pores of the catalyst layer 22 , which is partially hydrophilic. The catalyst layer may have holes to support this liquid transfer. This distribution of the electrolyte within the cell occurs due to the capillary action of the porous structures (ie the surface tension of the gas-liquid interface), which causes the porous structure to develop capillary forces. The smaller the pores, the greater the capillary force and the ability to retain the liquid.

Die Kathode 16 hat wie die Anode 14 ein Substrat 30 und eine Katalysatorschicht 32. Die Katalysatorschicht ist an dem Substrat befestigt.Like the anode 14, the cathode 16 has a substrate 30 and a catalyst layer 32 . The catalyst layer is attached to the substrate.

Die an die Kathode angrenzende Elektrolytspeicherplatte 20 hat eine Vielzahl von Rippen, die durch die einzige Rippe 34 repräsentiert sind und einen Abstand voneinander aufweisen, um Durchgangskanäle 38 für das Oxidationsmittel zu bilden. Diese Durchgangskanäle erstrecken sich im all gemeinen senkrecht zu den Durchgangskanälen 29. Ein Oxida tionsmittel, wie z.B. der Sauerstoff in der Luft, wird durch diese Durchgangskanäle zwischen der Speicherschicht und der Elektrolytspeicherplatte und von dort durch das Substrat zu der Katalysatorschicht geleitet.The electrolyte storage plate 20 adjacent to the cathode has a plurality of ribs, which are represented by the single rib 34 and are spaced apart from one another in order to form through channels 38 for the oxidizing agent. These through channels generally extend perpendicular to the through channels 29 . An oxidizing agent, such as oxygen in the air, is passed through these passages between the storage layer and the electrolyte storage plate and from there through the substrate to the catalyst layer.

Zur Trennung der aneinandergrenzenden Brennstoffzellen werden eine Trennplatte 39a mit einem Randabschnitt 40a und eine Trennplatte 39b mit einem Randabschnitt 40b ver wendet. Die Trennplatten verhindern eine Vermischung des Wasserstoffes, der in den Durchgangskanälen 29 strömt, mit dem Sauerstoff der Luft, die in den Durchgangskanälen 38 strömt. Die Trennplatten sind dabei für ein Gas wie Wasserstoff hoch undurchlässig und außerdem elektrisch hoch leitfähig, um einen Elektrodenfluß von Zelle zu Zelle durch den Stapel zu ermöglichen. Die Trennplatten verhin dern ferner einen Austritt des Elektrolyten aus den Spei cherschichten innerhalb der Zelle.To separate the adjacent fuel cells, a partition plate 39 a with an edge portion 40 a and a partition plate 39 b with an edge portion 40 b are used ver. The partition plates prevent mixing of the hydrogen flowing in the through channels 29 with the oxygen in the air flowing in the through channels 38 . The separating plates are highly impermeable to a gas such as hydrogen and are also highly electrically conductive in order to allow electrodes to flow from cell to cell through the stack. The separating plates also prevent the electrolyte from escaping from the storage layers within the cell.

Jede eine Speicherschicht aufweisende poröse Platte hat am Rand einen Dichtungsbereich. Beispielsweise weist das Anodensubstrat 24 einen Randdichtungsbereich 41, das Katho densubstrat 30 einen Randdichtungsbereich 42 auf und die Elektrolytspeicherplatten haben ebenfalls Randdichtungs bereiche in dem Kantenbereich 28, der sich parallel zu dem letzten Durchgangskanal 29 erstreckt, und in dem Kanten bereich 36, der sich parallel zu dem letzten Durchgangs kanal 34 erstreckt. Jeder Dichtungsbereich ist mit einem Dichtungsmaterial gefüllt, so daß der Dichtungsbereich eine Dichtung mit dem Elektrolyten bildet. Das Dichtungsmaterial weist ein inertes Pulver auf, das aus der aus Kohlenstoff, Graphit, Siliciumcarbid und daraus gebildeten Mischungen bestehenden Gruppe ausgewählt ist. Das Pulver hat eine Teilchengröße, die kleiner als 1 µm ist, und eine geringe Struktur, um die Zerteilung des Pulvers auf die ursprünglichen Hauptteilchen zu erleichtern, so daß die Bildung einer einen hohen Feststoffgehalt und eine geringe Viskosität aufweisenden Suspension unterstützt wird. Das Dichtungsmaterial erhöht die Dichte des Dichtungsbereiches des Substrats und verringert die Porosität der Platte. Da die Poren des Dichtungsbereiches kleiner als der Rest der Platte sind, bleibt das gesamte Volumen der Poren fast vollständig mit Elektrolyt gefüllt, solange die Matrix 12 mit Elektrolyt gefüllt ist. Durch das Einklemmen der Dichtungsabschnitte zwischen den Randabschnitt 40a der oberen Gastrennplatte und den Randabschnitt 40b der unte ren Gastrennplatte werden Flüssigkeitsdichtungen gebildet, die sich zu den Oberflächen 45, 46, 48, 50, 52 und 54 hin erstrecken.Each porous plate having a storage layer has a sealing area at the edge. For example, the anode substrate 24 has an edge sealing area 41 , the cathode substrate 30 has an edge sealing area 42 and the electrolyte storage plates also have edge sealing areas in the edge area 28 , which extends parallel to the last through-channel 29 , and in the edge area 36 , which is parallel to the last passage 34 extends. Each sealing area is filled with a sealing material so that the sealing area forms a seal with the electrolyte. The sealing material has an inert powder selected from the group consisting of carbon, graphite, silicon carbide and mixtures formed therefrom. The powder has a particle size smaller than 1 µm and a small structure to facilitate the breakdown of the powder into the original main particles, so that the formation of a suspension having a high solids content and a low viscosity is promoted. The sealing material increases the density of the sealing area of the substrate and reduces the porosity of the plate. Since the pores of the sealing area are smaller than the rest of the plate, the entire volume of the pores remains almost completely filled with electrolyte as long as the matrix 12 is filled with electrolyte. By clamping the sealing portions between the edge portion 40 a of the upper gas separation plate and the edge portion 40 b of the lower gas separation plate liquid seals are formed which extend to the surfaces 45 , 46 , 48 , 50 , 52 and 54 .

Wie erwähnt erzeugt die aus der Oberflächenspannung einer Flüssigkeit von porösen Strukturen sich ergebende Kapillar wirkung Kapillarkräfte, die eine Bewegung des flüssigen Elektrolyten aus den Poren des Dichtungsbereiches verhin dern. Je kleiner die Pore, desto größer ist die Kapillar kraft an der Gas-Flüssigkeit-Schnittstelle und die Fähig keit, Druckunterschiede zwischen dem Reaktionsgas in der Brennstoffzelle und zwischen irgendeinem Reaktionsgas und dem Äußeren der Zelle zu verhindern. Aufgrund des zum Füllen des Dichtungsbereiches mit dem Dichtungsmaterial verwendeten Verfahrens kann die in dem Substrat gebildete Dichtung statischen Gasdrücken und sogar momentanen Druckdif ferenzen, die im Bereich zwischen 0,34 und 2,07 bar liegen können, widerstehen.As mentioned, it creates one out of the surface tension Capillary fluid resulting from porous structures effect capillary forces that cause a movement of the liquid Prevent electrolytes from the pores of the sealing area other. The smaller the pore, the larger the capillary force at the gas-liquid interface and capable speed, pressure differences between the reaction gas in the Fuel cell and between any reaction gas and to prevent the exterior of the cell. Because of the Filling the sealing area with the sealing material The method used can be the one formed in the substrate Seal static gas pressures and even instantaneous pressure dif references that are in the range between 0.34 and 2.07 bar can resist.

Fig. 2 zeigt eine auseinandergezogene Seitenansicht einer Vorrichtung 58 zum Füllen einer porösen Platte einer elek trochemischen Zelle, wie z.B. des Kathodensubstrats 30 mit einem Dichtungsmaterial. Die Vorrichtung weist eine erste Platte 60 und eine zweite Platte 62 auf, von denen jede an einer zugeordneten Oberfläche (d.h. Oberfläche 50 oder 52) des Substrats angreifen kann. Die zweite Platte hat eine axial sich erstreckende Aushöhlung 64, die ungefähr die axiale Breite der in der porösen Platte zu bildenden Dichtung hat. Die Aushöhlung wird von drei Seiten der Platte begrenzt. Ein Sieb 66 begrenzt die Aushöhlung auf der vierten Seite. Die Öffnungen des Siebs betragen 0,147 mm. Bei anderen Ausführungsformen kann das Sieb weggelassen und die Platte 62 gegen die Platte 60 ausgetauscht werden, derart, daß die Dichtungsmaterial-Suspension nicht aus der Aushöhlung durch die Schwerkraft herausgezogen werden kann. Fig. 2 shows an exploded side view of a device 58 for filling a porous plate of an electrochemical cell, such as the cathode substrate 30 with a sealing material. The device includes a first plate 60 and a second plate 62 , each of which can engage an associated surface (ie, surface 50 or 52 ) of the substrate. The second plate has an axially extending cavity 64 which is approximately the axial width of the seal to be formed in the porous plate. The cavity is delimited from three sides of the plate. A sieve 66 defines the cavity on the fourth side. The openings of the sieve are 0.147 mm. In other embodiments, the screen may be omitted and plate 62 replaced with plate 60 such that the sealant suspension cannot be pulled out of the cavity by gravity.

Eine Dichtung 68 verläuft um den Umfang der Aushöhlung 64 und läßt einen Strömungsbereich 72 dazwischen frei. Ein geeignetes Material für die Dichtung ist ein mittlerer, geschlossene Zellen aufweisender Neoprenschaum, wie z.B. der COHRlastic-Schaum, der von der Auburn Rubber Company, Middletown, Connecticut erhältlich ist. Die Dichtung hat eine Oberfläche 74, mit der sie an der Oberfläche 52 der porösen Platte angreift.A seal 68 extends around the circumference of the cavity 64 and leaves a flow area 72 therebetween. A suitable material for the seal is a medium closed cell neoprene foam, such as the COHRlastic foam, available from the Auburn Rubber Company, Middletown, Connecticut. The seal has a surface 74 with which it engages the surface 52 of the porous plate.

Ein bewegbares Band 86 fördert die poröse Platte in einen Bereich zwischen den einander zugekehrten Platten. Das Band ist ein Nytex-Band, das von Nazdur K.C. Coatings, Taerboro, New Jersey erhältlich ist und ein monophiles Nylon stoffmatrizenband ist, das annähernd 198 µm dick ist und eine Öffnungsgröße von 0,222 mm mit einem offenen Bereich von 48,5% hat. Ein poröses Papier 78 ist zwischen dem Band und der porösen Platte angeordnet. Das poröse Papier ist ein gebleichtes mittleres Filzpapier, wie es gewöhnlich in der Medizin verwendet wird.A movable belt 86 conveys the porous plate into an area between the facing plates. The tape is a Nytex tape available from Nazdur KC Coatings, Taerboro, New Jersey and is a monophile nylon matrix tape that is approximately 198 µm thick and has an opening size of 0.222 mm with an open area of 48.5%. A porous paper 78 is disposed between the belt and the porous plate. The porous paper is a bleached medium felt paper, as is commonly used in medicine.

Die erste Platte 60 hat eine Vielzahl von quer verlaufen den Rippen 82, die einen axialen Abstand voneinander haben, so daß sie eine Vielzahl von Spalten 84 dazwischen frei lassen. Diese Spalten stehen über eine Leitung 96 in Strö mungsverbindung mit einem Unterdruckerzeuger, der den Druck in den Spalten 84 während des Betriebes der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung vermindert. Bei anderen Ausführungs formen wird kein Unterdruck in den Spalten 84 erzeugt.The first plate 60 has a plurality of transverse ribs 82 which are axially spaced from one another so that they leave a plurality of gaps 84 therebetween. These columns are in fluid communication via line 96 with a vacuum generator which reduces the pressure in columns 84 during operation of the device shown in FIG. 2. In other embodiments, no negative pressure is generated in the columns 84 .

Während des Betriebes der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung wird die poröse Platte durch die Bewegung des Bandes 86 zwischen die erste und zweite Platte 60, 62 in Position gebracht. Die Platten bewegen sich relativ zueinander, um die poröse Platte zwischen sich einzuklemmen. Die Aushöh lung 64 steht in Strömungsverbindung mit einer Quelle für die Vorläufersuspension für das Dichtungsmaterial. Die Suspen sion wird unter einem erheblichen Druck zugeführt, der im allgemeinen größer als 68,95 kPa über die poröse Platte hinweg ist.During operation of the device shown in FIG. 2, the porous plate is brought into position by the movement of the belt 86 between the first and second plates 60 , 62 . The plates move relative to each other to pinch the porous plate between them. The cavity 64 is in flow communication with a source of the precursor suspension for the sealing material. The suspension is supplied under a substantial pressure, which is generally greater than 68.95 kPa across the porous plate.

Wenn die Suspension in die poröse Platte 30 gedrückt wird, wird die erste Platte 60 in Strömungsverbindung mit einem Unterdruckerzeuger gesetzt, so daß sie einen Teil der Sus pension durch das Nytex-Band zieht. Nach dem Füllen des Dichtungsbereiches der porösen Platte mit dem Dichtungs material wird die poröse Platte an eine Stelle bewegt, an der die Flüssigkeit vollständig durch Verdampfung, wie z.B. durch Erhitzen, entfernt werden kann, so daß das ab gesetzte Dichtungsmaterial zurückbleibt.When the suspension is pressed into the porous plate 30 , the first plate 60 is placed in flow communication with a vacuum generator so that it pulls part of the suspension through the Nytex belt. After filling the sealing area of the porous plate with the sealing material, the porous plate is moved to a point at which the liquid can be completely removed by evaporation, such as by heating, so that the sealing material deposited remains.

Die Vorläufersuspension für das Dichtungsmaterial für den Randbereich um faßt eine Flüssigkeit, wie z.B. Wasser, und ein inertes Pulver in der Flüssigkeit, wie z.B. Kohlenstoff, Graphit oder Siliciumcarbid, wie bereits erwähnt. Das Pulver hat eine variable Teilchengröße, die kleiner als oder gleich 1 µm ist, und eine geringe Struktur, die durch die Größe und Form des Pulverhaufwerks, die Anzahl von Teil chen pro Gewichtseinheit des Pulverhaufwerks und ihre durchschnittliche Masse bestimmt wird. Die Struktureigen schaften beeinflussen die Pulverpackung und das Volumen der Hohlräume in dem Grundmaterial. Die Struktur wird in bezug auf das Zwischenteilchenvolumen und insbesondere unter Verwendung der DBPA-Methode gemessen, der eine Zahl zugeordnet ist, wie sie in der Norm ASTMD 2414 festgelegt ist, die von der American Society for Testing and Materials herausgegeben wird. Das Pulver wird dann als eine geringe Struktur aufweisend betrachtet, wenn es eine DBPA-Zahl hat, die kleiner als 50 ml pro 100 g ist. Die Herstellung der Vorläufersuspension für das Dichtungsmaterial beinhaltet das Hinzu fügen des Pulvers zu der Flüssigkeit und das mechanische Verrühren der Suspension zur Vermeidung von Klumpenbildung. Somit wird das Pulver der Suspension zugegeben, das Pulver wird gründlich durchgemischt und dann wird noch mehr Pulver der Suspension hinzugefügt. Ein oberflächenaktives Mittel oder ein Dispersionsmittel wird der Flüssigkeit zugegeben, um die Benetzung des Pulvers zu erhöhen und beim Vermischen mitzuhelfen. Dieses Verfahren wird solange fortgeführt, bis der Feststoffgehalt eine Höhe erreicht hat, bei der eine Gesamtvolumenverminderung des Dichtungsmaterials nach dem Entfernen der Flüssigkeit aus der Suspension verhindert wird.The precursor suspension for the sealing material for the edge area around holds a liquid, e.g. Water, and an inert Powder in the liquid, e.g. Carbon, graphite or silicon carbide, as already mentioned. The powder has a variable particle size that is less than or equal to Is 1 µm, and a small structure by the Size and shape of the powder pile, the number of parts chen per unit weight of powder and their average mass is determined. The structure's own the powder pack and that Volume of the voids in the base material. The structure with respect to the interparticle volume and in particular measured using the DBPA method, which is a number is assigned as specified in the ASTMD 2414 standard is by the American Society for Testing and Materials is published. The powder is then considered a minor Considered structure if there is a DBPA number has less than 50 ml per 100 g. The production the precursor suspension for the sealing material includes the addition add the powder to the liquid and the mechanical Mix the suspension to avoid lumps. Thus the powder is added to the suspension, the powder is mixed thoroughly and then more powder added to the suspension. A surfactant or a dispersant is added to the liquid, to increase the wetting of the powder and when mixing to help. This process will continue until the solids content has reached a level at which one Total volume reduction of the sealing material after Prevents removal of the liquid from the suspension becomes.

Dies ist wichtig, weil eine Gesamtvolumenverminderung, wie sie z.B. das Zusammenfallen des Materials auf sich selbst nach der Entfernung der Flüssigkeit begleitet, zu Poren größen führt, die viel größer sind als wenn das Dichtungs material nahe bei seiner Ausrichtung bleibt, die es hatte, als es von der Flüssigkeit an Ort und Stelle gehalten wurde. Es wurde festgestellt, daß ein großer Feststoff gehalt, der typischerweise größer als 60%, bezogen auf das Gewicht der Suspension, ist, die Gesamtvolumenverrin gerung vermeidet, weil die Teilchen genügend Berührungs punkte haben, daß sie einander abstützen und in einer verhältnismäßig festen Lage bleiben, selbst nachdem die Flüssigkeit entfernt ist.This is important because a total volume reduction like they e.g. the collapse of the material on itself accompanied by removal of the fluid, to pores leads sizes that are much larger than if the seal material stays close to its orientation it had when it was held in place by the liquid has been. It was found to be a large solid content that is typically greater than 60% based on the weight of the suspension, is the total volume avoidance because the particles have enough contact have points that they support each other and in one remain relatively solid even after the Liquid is removed.

Ein empirisches Verfahren zum Bestimmen, ob eine Gesamt volumenverringerung stattgefunden hat, besteht darin, eine poröse Platte mit einer Menge des Dichtungsmaterials mit dem oben erwähnten Verfahren zu tränken, die Flüssig keit zu entfernen und das Material mit dem Elektrolyten zu füllen und danach den Querdruck zu messen. Wenn der Querdruck hoch und gewöhnlich gleich oder größer als 0,34 bar ist, dann hat das Dichtungsmaterial keine Gesamt volumenverringerung durchgemacht.An empirical method for determining whether a total volume reduction has taken place is a porous plate with a lot of the sealing material using the above mentioned process to soak the liquid remove the material with the electrolyte fill and then measure the lateral pressure. If the Cross print high and usually equal to or greater than Is 0.34 bar, then the sealing material has no total Going through volume reduction.

Die Vorläufersuspension für das Dichtungsmaterial hat somit einen hohen Feststoffgehalt. Der hohe Feststoffgehalt ermöglicht es, daß jedes Teilchen an angrenzenden Teilchen angreift, nachdem die Flüssigkeit aus der Suspension entfernt ist. Infolgedessen hat das Dichtungsmaterial eine gewisse struk turelle Festigkeit und kleinere Poren als wenn die Teil chen sich nicht gegenseitig stützen würden und mit einer Gesamtvolumenverringerung und einer Vergrößerung der Poren zusammenbrechen könnten. Die kleinen Poren haben eine Kapillaritätscharakteristik (Querdruck für eine gegebene Flüssigkeit bei einer gegebenen Temperatur) für konzen trierte Phosphorsäure von 23,9°C, die über 0,34 bar liegt. Eine Messung der Kapillaritätscharakteristik bestätigt, daß das Dichtungsmaterial keine Gesamtvolumenverringerung durchgemacht hat.The precursor suspension for the sealing material is therefore high Solids content. The high solids content enables that each particle attacks adjacent particles, after the liquid is removed from the suspension. As a result, the sealing material has a certain structure tural strength and smaller pores than if the part would not support each other and with a total volume reduction and an increase the pores could collapse. The small pores have one Capillarity characteristic (transverse pressure for a given Liquid at a given temperature) for conc trated phosphoric acid of 23.9 ° C, which is above 0.34 bar. A measurement of the capillarity characteristic confirms that the sealing material has no overall volume reduction has been through.

Eine andere Vorgehensweise zum Bestimmen des Feststoff gehaltes, der zum Vermeiden einer Gesamtvolumenverringe rung in dem Dichtungsmaterial notwendig ist, und die bei nahe so sicher wie das oben umrissene Verfahren ist, be steht darin, die Suspension zu bilden und die Flüssigkeit aus der Suspension zu verdampfen. Ein sich ergebender Rückstand, der seine strukturelle Form ohne große Unregel mäßigkeiten in der Oberfläche des Rückstandes beibehält, zeigt an, daß eine Gesamtvolumenverringerung vermieden wurde. Wenn jedoch große Risse in der Oberfläche auftre ten, die als "Schlammrisse" bezeichnet werden, ist der Feststoffgehalt der Suspension wahrscheinlich nicht aus reichend, um den hohen Querdruck über die Dichtung hinweg zu erhalten, wenn der Dichtungsbereich einmal mit Dich tungsmaterial gefüllt ist.Another way of determining the solid content that helps to avoid a total volume decrease tion in the sealing material is necessary, and the is almost as safe as the procedure outlined above, be is to form the suspension and the liquid evaporate from the suspension. A surrendering Residue, its structural shape without much irregularity maintains moderation in the surface of the residue, indicates that a total volume reduction was avoided has been. However, if there are large cracks in the surface ten, which are referred to as "sludge cracks" is the Solids content of the suspension is probably not sufficient sufficient to withstand the high lateral pressure across the seal to get once the sealing area with you tion material is filled.

Außerdem kann eine kleine Menge eines Bindemittels, das sich in der Umgebung des Elektrolyten der Brennstoffzelle inert verhält, wie z.B. Polytetrafluoräthylen, der Suspension zugefügt werden. Das Bindemittel wirkt als weiterer Klebstoff zwischen den Teilchen, um die struk turelle Festigkeit der Gruppe von Teilchen zu erhöhen. Im allgemeinen werden bis zu 5% Polytetrafluoräthylen, bezo gen auf das Gewicht der Suspension, der Suspension hinzu gefügt. Größere Mengen von Polytetrafluoräthylen sollten vermieden werden, weil dieses Bindemittel aufgrund seines inerten Verhaltens in der Umgebung der Brennstoff zelle hydrophob ist und weil zuviel des Bindemittels die Fähigkeit der Dichtung, hohe Kapillarkräfte mit dem Elek trolyt zu entwickeln, zerstören kann. Die Menge von zu lässigem Polytetrafluoräthylen kann wieder empirisch da durch festgestellt werden, daß die Dichtung mit einem ge gebenen hohen Feststoffgehalt gebildet wird und der Quer druck, den die Dichtung aushalten kann, wenn sie den Elek trolyten enthält, gemessen wird.In addition, a small amount of a binder that itself around the electrolyte of the fuel cell behaves inertly, e.g. Polytetrafluoroethylene, the Suspension are added. The binder acts as additional glue between the particles to make the structure increase the physical strength of the group of particles. in the generally up to 5% polytetrafluoroethylene, bezo to the weight of the suspension, the suspension added. Larger amounts of polytetrafluoroethylene should be avoided because of this binder its inert behavior around the fuel cell is hydrophobic and because too much of the binder Ability of the seal to withstand high capillary forces with the elec trolyte can develop, destroy. The amount of too casual polytetrafluoroethylene can be empirically there again by determined that the seal with a ge given high solids content is formed and the cross pressure that the gasket can withstand when the elec contains trolytes, is measured.

Ein spezielles gegenwärtig verwendetes Dichtungsmaterial, das eine geringe Struktur hat und ein Kohlenpulver im sub-µm-Bereich enthält, ist ein solches, bei dem ein Thermax- Kohlenpulver verwendet wird, das von der R.T. Vanderbilt Company, Inc., 30 Winfield Street, Norwalk, Connecticut 06855 erhältlich ist. Die ASTM-Bezeichnung ist N-990 und es hat einen typischen DBPA-Wert von ungefähr 35 ml pro 100 g entsprechend dem Maßstandard der Norm ASTM D-2414. Dieser kugelförmige Ruß kann in mehr graphitierter Form verwendet werden, wenn dies zur Oxidationsbeständigkeit durch Erhitzen des Materials bis zu 2700°C oder höher er forderlich ist. Natürlich können kompatible Materialien wie Siliciumcarbid verwendet werden, wenn die Teilchen größe kleiner als oder gleich 1 µm ist.A special sealing material currently used, that has a small structure and one Contains carbon powder in the sub-µm range, is one in which a Thermax Carbon powder used by the R.T. Vanderbilt Company, Inc., 30 Winfield Street, Norwalk, Connecticut 06855 is available. The ASTM designation is N-990 and it has a typical DBPA of approximately 35 ml per 100 g according to the standard of the ASTM D-2414 standard. This spherical soot can be in more graphitized form used if this is for oxidation resistance by heating the material up to 2700 ° C or higher is required. Of course, compatible materials like silicon carbide when the particles are used size is less than or equal to 1 µm.

example 1

Eine Vorläufersuspension für das Dichtungsmaterial, die ungefähr 70 Gew.-% Thermax-Ruß enthält, wurde auf die folgende Art und Weise zubereitet und mit einem Kohlefasersubstrat verwen det. 5 g des oberflächenaktiven Mittels Triton (das von der Rohm und Haas Company, Inc., Philadelphia, Pennsyl vania erhältlich ist) wurden zu 2000 g Wasser hinzugegeben. 2700 g Thermax-Ruß wurden in die Suspension unter Verwendung eines Mischers mit geringer Scherung eingemischt. Die Menge des zugefügten Thermax-Rußes wurde durch die Dicke der Mischung begrenzt. Ungefähr die Hälfte der Mischung wurde in eine Kugelmühle gegossen und 24 Stunden lang disper giert (d.h. bis auf ungefähr Hauptteilchengröße zerbrochen). Die Dispergierwirkung brachte die Mischung in den flüssigen Zustand zurück, der die Hinzufügung weiterer 336 g Thermax gestattete. Die Mischung wurde weitere 50 Stunden lang dis pergiert, und dann wurden 5 g Triton hinzugefügt. Das zusätz liche oberflächenaktive Mittel ermöglichte die Hinzufügung weiterer 443 g Thermax-Ruß. Die Mischung wurde dann für 24 Stunden wieder in die Kugelmühle gegeben. Nach einer Zerstäubung von 24 Stunden war die Mischung zu dick, und es wurden 5 g Wasser und 5 g des oberflächenaktiven Mittels Triton hinzugefügt. Nach einer weiteren Zerstäubung von ungefähr 2 Stunden wurde eine Probe von der Mischung abge zogen, verdampft, und es wurde ermittelt, daß sie 67,4% Feststoffe hat. Nach 24stündiger Zerstäubung durch die Kugelmühle wurden weitere 143 g Thermax hinzugefügt, das den Feststoffgehalt auf 71,8% brachte.A precursor suspension for the sealing material, which is about 70 Wt .-% Thermax carbon black, was in the following manner and Prepared wisely and used with a carbon fiber substrate det. 5 g of Triton surfactant (that of Rohm and Haas Company, Inc., Philadelphia, Pennsyl vania is available) were added to 2000 g of water. 2700 g of Thermax carbon black was used in the suspension a low shear mixer. The amount of the added Thermax carbon black was determined by the thickness of the Mix limited. About half of the mixture was made Poured into a ball mill and disper for 24 hours yawed (i.e. broken down to approximately major particle size). The dispersing effect brought the mixture into the liquid Condition back, which the addition of another 336 g Thermax allowed. The mixture was dispersed for an additional 50 hours Pergiert, and then 5 g Triton was added. The additional surfactant enabled the addition another 443 g of Thermax carbon black. The mixture was then made for Put back into the ball mill for 24 hours. After a Atomization by 24 hours, the mixture was too thick, and there were 5 g of water and 5 g of the surfactant Triton added. After another atomization of a sample was taken from the mixture for about 2 hours drawn, evaporated and found to be 67.4% Has solids. After 24 hours of atomization by the Ball mill added another 143 g Thermax, the brought the solids content to 71.8%.

Die Vorläufersuspenion des Beispieles 1, die einen Fest stoffgehalt von 70 Gew.-% und eine Viskosität von unge fähr 1000 mPa · s hat, wurde dazu verwendet, ein Kohlefaser substrat zu füllen. Das Substrat war 2,0 mm dick und hatte eine mittlere Porengröße von 36 µm.The precursor suspension of Example 1, which is a feast substance content of 70 wt .-% and a viscosity of unge about 1000 mPa · s was used to make a carbon fiber to fill substrate. The substrate was 2.0 mm thick and had an average pore size of 36 µm.

Die Vorläufersuspension wurde unter einem Druck von 0,69 bar durch das Sieb, durch den Strömungsbereich und in das Substrat extrudiert. Nach dem Füllen wurde das Substrat getrocknet, um das Wasser aus der Suspension zu entfernen. Die Dichte des Dichtungsbereiches betrug 230% der Dichte des Substrates, bevor es mit der Vorläufersuspension ge füllt war. Insbesondere betrug die Dichte des Dichtungs bereiches ungefähr 1,25 g/cm³, während die Dichte des Substrates an einer von dem Dichtungsbereich entfernten Stelle 0,55 g/cm³ betrug.The precursor suspension was extruded under a pressure of 0.69 bar through the screen, through the flow area and into the substrate. After filling, the substrate was dried to remove the water from the suspension. The density of the sealing area was 230% of the density of the substrate before it was filled with the precursor suspension. In particular, the density of the sealing area was approximately 1.25 g / cm ³ , while the density of the substrate at a location remote from the sealing area was 0.55 g / cm ³ .

Die so gebildete Randdichtung wurde mit Phosphorsäure (H₃PO₄) durch Untertauchen in 85 Gew.-% H₃PO₄ bei 163°C für 1 Stunde gefüllt. Die Kapillaritätscharakteristik der Dichtung (d.h. der Querdruck oder der Blasendruck für konzentrierte Phosphorsäure bei 23,9°C dieser Dichtung) wurde mit 0,62 bar bei 23,9°C gemessen. Andere Kohlefaser substrate wurden mit Vorläufersuspensionen mit einem höhe ren Feststoffgehalt imprägniert, die wie in Beispiel 1 an gegeben hergestellt wurden, aber einen Feststoffgehalt von 75% hatten. Die sich ergebende Dichte betrug 260% der Dichte des Substrates in einem nicht dichtenden Bereich. Die Kapillaritätscharakteristik (Querdruck) der Dichtung wurde mit 2,07 bar gemessen.The edge seal thus formed was filled with phosphoric acid (H ₃ PO ₄ ) by immersing it in 85% by weight H ₃ PO ₄ at 163 ° C. for 1 hour. The capillarity characteristic of the seal (ie the transverse pressure or the bubble pressure for concentrated phosphoric acid at 23.9 ° C of this seal) was measured at 0.62 bar at 23.9 ° C. Other carbon fiber substrates were impregnated with precursor suspensions with a higher solids content, which were prepared as given in Example 1, but had a solids content of 75%. The resulting density was 260% of the density of the substrate in a non-sealing area. The capillarity characteristic (transverse pressure) of the seal was measured at 2.07 bar.

Example 2

Eine Vorläufersuspension für das Dichtungsmaterial, die ungefähr 74% Thermax-Ruß enthält, wurde in einem Großchargenprozeß her gestellt, der in vielen Punkten dem beim Beispiel 1 verwen deten Verfahren ähnlich ist. Die Vorläufersuspension sollte ein graphitiertes Zellulosesubstrat füllen, das eine mitt lere Porengröße von 21 µm hat.A precursor suspension for the sealing material, which is approximately 74% Thermax carbon black was produced in a large batch process provided, which in many points use that in Example 1 procedures are similar. The precursor suspension should fill a graphitized cellulose substrate that contains a medium pore size of 21 µm.

Die Suspension wurde in einem Großchargenprozeß in einem 24stündigen Mischzyklus unter mehreren Hinzufügungen von abnehmenden Mengen von Thermax-Ruß hergestellt. Wegen der Größe der Charge (ungefähr 34,1 l) wurde eine Kugelmühle in Produktionsgröße verwendet. Diese Kugelmühle wird von Paul O. Abbe, Inc., Little Falls, New Jersey hergestellt.The suspension was processed in a large batch process in one 24 hour mixing cycle with multiple additions of decreasing amounts of Thermax soot. Because of the Batch size (approximately 34.1 L) became a ball mill used in production size. This ball mill is made by Paul O. Abbe, Inc., Little Falls, New Jersey.

Der Großchargenprozeß führte zu einer besseren Verteilung des Rußes in der Suspension (ungefähr 73%) mit einer gleich zeitigen Erhöhung der Viskosität der Suspension auf unge fähr 6000 bis 7000 mPa · s. Wegen der kleineren Porengröße wurde die Viskosität der Vorläufersuspension durch den Zusatz von Wasser um ungefähr ein Drittel abgesenkt, um den Fest stoffgehalt auf 69% zu reduzieren, wonach sich eine wei tere Zerstäubung der Suspension anschloß. Die Dichte des Dichtungsbereiches nach dem Trocknen betrug 199%, ungefähr 200% der Dichte des nicht dichtenden Bereiches des Sub strates. Die Kapillaritätscharakteristik betrug 0,79 bar für konzentrierte Phosphorsäure bei 23,9°C.The large batch process led to better distribution of the carbon black in the suspension (approximately 73%) with an equal early increase in the viscosity of the suspension to unge about 6000 to 7000 mPas. Because of the smaller pore size the viscosity of the precursor suspension through the addition of water lowered by about a third to the feast reduce the fabric content to 69%, after which a white atomization of the suspension. The density of the Sealing area after drying was 199%, approximately 200% of the density of the non-sealing area of the sub strates. The capillarity characteristic was 0.79 bar for concentrated phosphoric acid at 23.9 ° C.

Example 3

Eine Vorläufersuspension für das Dichtungsmaterial die ungefähr 70 bis 71 Gew.-% Ruß enthielt, wurde unter Verwendung eines Cowles-Auflösers, der von der Cowles-Auflöser Company, Inc. Cayuga, New York hergestellt wird, und einer in Reihe ge schalteten Netzsch Molinex-Rührmühle hergestellt. Durch Vermischen von 12% eines Dispersionsmittels, 23% entioni siertem Wasser und 65% Ruß wurde eine Mischung in dem Auflöser hergestellt. Das Dispersionsmittel ist eine Lösung aus 25% Aminomethylpropanol, 37,5% Dimethylformamid und 37,5% einer Handelschemikalie E-902-10-B, die von der Inmont Corporation, Clifton, New Jersey erhältlich ist. A precursor suspension for the sealing material which is approximately 70 to Containing 71% by weight of carbon black was determined using a Cowles Dissolver, by the Cowles Dissolver Company, Inc. Cayuga, New York, and one in series switched Netzsch Molinex agitator. By Mixing 12% of a dispersing agent, 23% entioni water and 65% carbon black became a mixture in the Dissolver made. The dispersant is a solution from 25% aminomethylpropanol, 37.5% dimethylformamide and 37.5% of an E-902-10-B commercial chemical sold by Inmont Corporation, Clifton, New Jersey is available.

Die sich ergebende Mischung hat einen Feststoffgehalt von ungefähr 70 bis 71%. Die Viskosität wurde durch den Zusatz von Wasser gegenüber der aus der Rührmühle erhaltenen Vis kosität um mehr als 5000 mPa · s auf eine Viskosität von eini gen Tausend mPa · s verringert. Der Zusatz von Wasser verringer te auch den Feststoffgehalt von 70 bis 71% Feststoffgehalt auf 64% Feststoffgehalt. Nach Beendigung dieses Vorganges wurde die dispergierte Suspension dazu verwendet, eine Elektrolytspeicherplatte zu füllen.The resulting mixture has a solids content of about 70 to 71%. The viscosity was determined by the addition of water opposite the vis obtained from the agitator viscosity by more than 5000 mPa · s to a viscosity of uni gen thousand mPa · s reduced. The addition of water diminishes te also the solids content of 70 to 71% solids content to 64% solids content. After completing this process the dispersed suspension was used to make a Fill the electrolyte storage plate.

In diesem speziellen Beispiel hatte die Elektrolytspeicher platte eine Dichte von 0,91 g/cm³. Nach dem Füllen hatte der Randbereich der Elektrolytspeicherplatte eine Dichte von 1,34 g/cm³. Eine Vorrichtung von der Art, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist, wurde wegen der geringen Porengröße der Elektrolytspeicherplatte von ungefähr 25 µm und der Viskosität der Vorläufersuspension, die über einige Tausend mPa · s betrug, dazu verwendet, die Vorläufersuspension in die Elektrolytspeicherplatte zu drücken.In this particular example, the electrolyte storage plate had a density of 0.91 g / cm ³ . After filling, the edge area of the electrolyte storage plate had a density of 1.34 g / cm ³ . A device of the type shown in Fig. 2 was used to add the precursor suspension into the electrolyte storage plate due to the small pore size of the electrolyte storage plate of approximately 25 µm and the viscosity of the precursor suspension which was over several thousand mPa · s to press.

Nach dem Füllen des Randbereiches wurde die Elektrolyt speicherplatte getrocknet, um die Flüssigkeit aus der Sus pension zu entfernen und die einen hohen Feststoffgehalt aufweisende Mischung in den Poren der Elektrolytspeicher platte ohne Gesamtvolumenänderung des Dichtungsmaterials abzusetzen. Dies wurde durch die hohe Kapillaritätscharak teristik der Elektrolytspeicherplatte bestätigt, die 2,07 bar für hoch konzentrierte Phosphorsäure (85 bis 99% Phosphorsäure) bei 23,9°C betrug.After filling the edge area, the electrolyte Storage plate dried to remove the liquid from the sus remove board and its high solids content showing mixture in the pores of the electrolyte storage plate without changing the total volume of the sealing material to discontinue. This was due to the high capillarity charac teristics of the electrolyte storage plate confirmed that 2.07 bar for highly concentrated phosphoric acid (85 to 99% phosphoric acid) at 23.9 ° C.

Während des Betriebes einer Brennstoffzelle, die eine mit dem beschriebenen Dichtungsmaterial gefüllte Randdichtung aufweist, bildet das Dichtungsmaterial eine wirksame Dich tung, wenn sie durch den Elektrolyt benetzt ist, um den Verlust der Reaktionsgase aus der Brennstoffzelle zu ver hindern, wenn die Zelle in Betrieb genommen wird, obgleich die momentanen Querdrücke sich an Werte zwischen 0,34 bar und 2,07 bar annähern. Hierdurch kann der Brennstoffzellen stapel bei Druckhöhen arbeiten, die zu solchen Druckunter schieden zwischen den Reaktanten während des Übergangs betriebes der Brennstoffzelle führen können.During the operation of a fuel cell, the one with edge seal filled with the described sealing material has, the sealing material forms an effective you if it is wetted by the electrolyte, around the Loss of the reaction gases from the fuel cell ver prevent when the cell is put into operation, although the current transverse pressures are between 0.34 bar and approach 2.07 bar. This allows the fuel cell stack at pressure levels that lead to such pressure drops distinguished between the reactants during the transition Can operate the fuel cell.

Claims

1. A method for producing a porous plate which can be used in a fuel cell and which consists of a substrate whose edge region is designed as an edge seal, characterized by the following steps:

a) Preparation of a suspension of a sealing material for the edge area, consisting of a liquid and an inert powder of silicon carbide, carbon or graphite or a mixture thereof suspended therein, which has a low structure of <50 ml per 100 g (ASTM D-2414) with a particle size of less than or equal to 1 µm, the solids content of the suspension being so high that the volume of the sealing material does not decrease after the liquid has been removed from the suspension filling the edge region of the substrate,
b) filling the edge area with the sealing material by applying a pressure of <0.69 bar, under the effect of which the sealing material penetrates into the substrate,
c) removing the liquid from the suspension, the sealing material remaining as a deposit in the edge region of the substrate.

2. The method according to claim 1, characterized in that as Liquid water, which is a dispersing agent or a surface-active Contains agents, is used and the solids content adjusted to a value of <60% in the suspension becomes.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that as a liquid water, in addition to a dispersant or a surfactant or a dispersion with up 5% by mass of polytetrafluoroethylene, based on the weight of the suspension, is used.

4. The method according to any one of the preceding claims, characterized characterized in that water is removed by evaporation.

5. Porous plate that can be used in a fuel cell, obtainable according to one or more of claims 1 to 4, the consists of a substrate, the edge area as an edge seal is formed, the escape of gases from the cell prevents what the edge area designed as an edge seal clamped between the sealing surfaces of the adjacent components is characterized in that the sealing material in as Edge seal formed edge area of the substrate from a inert powder of silicon carbide, carbon or graphite or a mixture of these, which has a small structure in one Has particle size of less than or equal to 1 µm, as the edge seal trained edge area has a density that is essential is greater than the density of those spaced from the edge region Marginal areas, and a capillarity characteristic of <0.34 bar for concentrated phosphoric acid.

6. Porous plate according to claim 5, characterized in that the sealing material, in addition to the inert powder, also Polytetra contains fluorethylene in such an amount that up to 5 mass% Polytetrafluoroethylene, based on the weight of the Production of the edge seal used suspension, corresponds.

7. Porous plate according to claim 5, characterized in that the porous plate is an electrolyte storage plate ( 18 , 20 ) whose density in the edge region formed as an edge seal is at least 140% of the density of the plate regions spaced from the edge region.

8. Porous plate according to claim 7, characterized in that the density of the edge regions designed as an edge seal is 1.1-1.4 g / cm ³ and the density of the plate regions spaced therefrom is 0.7 to 1.0 g / cm ³ .

9. Porous plate according to claim 5, characterized in that the porous plate is a substrate ( 24 , 30 ) for an electrode ( 14 , 16 ) and the density of the edge region ( 41 , 42 ) formed as an edge seal is at least 200% of the density of plate areas spaced from the edge area.

10. Porous plate according to claim 9, characterized in that the density of the edge regions designed as an edge seal is 1.1 to 1.4 g / cm ³ and the density of the plate regions spaced therefrom is 0.3 to 0.6 g / cm ³ .

11. Porous plate according to claim 5, 7 or 9, characterized in that the powder for the sealing material has a low Structural number (DBPA, measured according to ASTM D-2414), which is <50 ml / 100 g.

12. Porous plate according to claim 6, characterized in that the inert powder used for the sealing material Carbon in the form of graphitized carbon black with a uniform size and spherical shape.

13. Porous plate according to claim 7, characterized in that the inert powder used for the sealing material Silicon carbide with variable particle size.